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KR102257556B1 - 테라헤르츠파 발생 장치 및 이를 이용한 테라헤르츠 파면 제어 방법 - Google Patents

테라헤르츠파 발생 장치 및 이를 이용한 테라헤르츠 파면 제어 방법 Download PDF

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KR102257556B1
KR102257556B1 KR1020160025830A KR20160025830A KR102257556B1 KR 102257556 B1 KR102257556 B1 KR 102257556B1 KR 1020160025830 A KR1020160025830 A KR 1020160025830A KR 20160025830 A KR20160025830 A KR 20160025830A KR 102257556 B1 KR102257556 B1 KR 102257556B1
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South Korea
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terahertz wave
thz
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electrodes
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문기원
박경현
이일민
한상필
이의수
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한국전자통신연구원
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Abstract

본 발명은 파면 제어가 가능한 테라헤르츠파 발생 장치에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 의한 테라헤르츠파 발생 장치는, 광전도성 기판과, 상기 광전도성 기판 상에 2차원 어레이 형태로 배열되는 다수의 테라헤르츠파 발생용 단위 소자들을 포함하며, 상기 테라헤르츠파 발생용 단위 소자들은, 상기 광전도성 기판 상에 상기 2차원 어레이 형태로 배열되며 다수의 제1 전극패드들 중 각기 다른 제1 전극패드에 개별적으로 연결되는 다수의 제1 전극들과, 상기 광전도성 기판 상에 상기 제1 전극들과 대향되도록 형성된 하나 이상의 제2 전극을 포함한다.

Description

테라헤르츠파 발생 장치 및 이를 이용한 테라헤르츠 파면 제어 방법{APPARATUS FOR GENERATING TERAHERTZ WAVE AND METHOD FOR CONTROLLING TERAHERTZ WAVEFRONT USING THE SAME}
본 발명은 테라헤르츠파 발생 장치 및 이를 이용한 테라헤르츠 파면 제어 방법에 관한 것으로서, 특히 파면 제어가 가능한 테라헤르츠파 발생 장치 및 이를 이용한 테라헤르츠 파면 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 전자기파 스펙트럼 대역에서 0.1 내지 10THz(1THz는 1012Hz) 영역을 테라헤르츠파로 정의하고 있다. 특히, 0.1 내지 3THz 영역은 매우 다양한 분자들의 회전 및 공진 주파수들이 존재하는 영역이다. 이들 분자 지문들을 테라헤르츠파를 활용하여 비파괴, 미개봉, 비접촉법으로 획득함으로써, 의료, 의학, 농업식품, 환경계측, 바이오, 통신, 비파괴 조사, 첨단재료 평가 등에서 신개념의 미래 핵심 기술을 제공할 수 있다. 이에 따라, 관련 핵심기술 개발에 치열한 경쟁이 진행되고 있다.
일례로, 통신 분야에서 테라헤르츠파를 사용하여 데이터의 전송속도를 현격히 높일 수 있다. 이러한 테라헤르츠 통신의 비약적인 발전을 위해서는 테라헤르츠파의 방사각 및 방사 방향 등을 용이하게 조절할 수 있는 기술을 개발하는 것이 중요하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 파면 제어가 가능한 테라헤르츠파 발생 장치 및 이를 이용한 테라헤르츠 파면 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 의한 테라헤르츠파 발생 장치는, 광전도성 기판과, 상기 광전도성 기판 상에 2차원 어레이 형태로 배열되는 다수의 테라헤르츠파 발생용 단위 소자들을 포함하며, 상기 테라헤르츠파 발생용 단위 소자들은, 상기 광전도성 기판 상에 상기 2차원 어레이 형태로 배열되며 다수의 제1 전극패드들 중 각기 다른 제1 전극패드에 개별적으로 연결되는 다수의 제1 전극들과, 상기 광전도성 기판 상에 상기 제1 전극들과 대향되도록 형성된 하나 이상의 제2 전극을 포함한다.
실시예에 따라, 상기 제1 전극들은 서로 다른 적어도 두 방향을 따라 각각 복수 개씩 상호 이격되도록 배열될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제1 전극패드들은, 상기 제1 전극들의 수만큼 상기 광전도성 기판의 외곽부에 구비될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제2 전극은 상기 제1 전극들 각각과 대향되도록 적어도 행 또는 열 단위로 분기된 하나의 일체형 전극으로 구현될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제1 전극들 각각에는 양의 바이어스 전압, 음의 바이어스 전압, 또는 그라운드 전압이 선택적으로 인가될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제2 전극에는 그라운드 전압이 인가될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제1 전극들 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는, 대향 전극을 향하는 방향으로 돌출된 하나 이상의 돌출부를 구비할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 제1 전극들 및 상기 제2 전극 각각에는, 대향 전극을 향하는 방향으로 돌출된 복수의 돌출부들이 형성될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 돌출부들은 상기 제1 전극들 및 상기 제2 전극 사이의 적어도 일 영역에서 대향 전극에 형성된 하나 이상의 돌출부와 나란히 이격되어 배열될 수 있다.
실시예에 따라, 상기 테라헤르츠파 발생 장치는 상기 제1 전극들 각각과 상기 제2 전극의 사이에 형성된 스플리트 링 공진기를 더 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 테라헤르츠파 발생 장치는 상기 광전도성 기판의 후면에 배치되는 산란형 테라헤르츠 위상제어판을 더 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 테라헤르츠파 발생 장치는 상기 광전도성 기판의 전면에 배치되는 펄스파 혹은 연속파 광원을 더 포함할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 테라헤르츠파 발생 장치는 상기 광전도성 기판의 전면에 배치되는 공간 광 변조기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의한 테라헤르츠 파면 제어 방법은, 테라헤르츠파의 목표 방사 방향을 설정하는 단계와, 어레이 형태로 배열된 다수의 테라헤르츠파 발생용 단위 소자들을 포함하는 테라헤르츠파 발생 장치를 준비하고 상기 테라헤르츠파 발생 장치의 전면에 광원을 배치하는 단계와, 상기 테라헤르츠파 발생용 단위 소자들 각각의 온/오프를 개별적으로 조절하면서 상기 테라헤르츠파 발생 장치로부터 방출되는 테라헤르츠파의 방사 방향이 상기 목표 방사 방향에 부합되도록 제어하는 단계를 포함한다.
실시예에 따라, 상기 테라헤르츠파 발생용 단위 소자들 각각의 온/오프를 개별적으로 조절하는 단계에서, 상기 단위 소자들 각각에 인가되는 바이어스 전압을 개별적으로 조절할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 테라헤르츠파 발생용 단위 소자들 각각의 온/오프를 개별적으로 조절하는 단계에서, 상기 단위 소자들 모두에 펄스파 광원 혹은 연속파 비팅광원으로부터 방출되는 광을 동시에 입사시킬 수 있다.
실시예에 따라, 상기 테라헤르츠파 발생용 단위 소자들 각각의 온/오프를 개별적으로 조절하는 단계에서, 상기 단위 소자들의 전면에 공간 광 변조기를 배치하고 상기 단위 소자들 중 적어도 일부에 선택적으로 광을 조사할 수 있다.
실시예에 따라, 상기 테라헤르츠파 발생용 단위 소자들 각각의 온/오프를 개별적으로 조절하는 단계에서, 상기 단위 소자들 모두에 동일한 바이어스 전압을 인가할 수 있다.
본 발명은 파면 제어가 가능한 대면적 어레이 타입의 테라헤르츠파 발생 장치 및 이를 이용한 테라헤르츠 파면 제어 방법을 제공한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 테라헤르츠파 발생 장치로부터 방사되는 테라헤르츠파의 방사각이나 방사 방향을 용이하게 제어할 수 있다. 이에 따라, 테라헤르츠파의 응용 범위를 확장시킬 수 있다.
도 1은 테라헤르츠 광전도 안테나의 구조 및 동작 원리를 나타내는 도면이다.
도 2는 테라헤르츠 포토믹서의 구조 및 동작 원리를 나타내는 도면이다.
도 3은 파면 제어의 개념을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 테라헤르츠 파면 제어 장치의 개념을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 테라헤르츠파 발생 장치에 구비되는 어레이 타입의 테라헤르츠파 발생 소자를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 테라헤르츠파 발생 소자의 단위 소자에 집적 가능한 다양한 구조의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 7은 무작위적 입자 혼합으로 제작된 산란형 테라헤르츠 위상지연판의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 테라헤르츠파 발생 장치 및 이를 이용한 테라헤르츠 파면 제어 방법을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 의한 테라헤르츠파 발생 장치 및 이를 이용한 테라헤르츠 파면 제어 방법을 나타내는 도면이다.
도 10은 발광면에서의 가우시안 형태의 테라헤르츠파 분포에 의한 원격장에서의 테라헤르츠파 분포를 나타내는 도면이다.
도 11은 발광면에서의 원형 고리 형태의 테라헤르츠파 분포에 의한 원격장에서의 테라헤르츠파 분포를 나타내는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예 및 그 밖에 당업자가 본 발명의 내용을 쉽게 이해하기 위하여 필요한 사항에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 이하에서 소개될 실시예나 관련 기술은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 구체적으로 기술되었으며, 그 표현 여부에 관계없이 예시적인 것에 불과하다. 즉, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 국한되는 것이 아니며, 다양한 형태로 변경되어 실시될 수도 있을 것이다.
테라헤르츠파 기술은 통신, 영상 등의 다양한 분야에서 이용될 수 있다.
일례로, 통신 분야에서 테라헤르츠파를 사용하여 반송파 주파수를 높임으로써, 데이터 전송 속도의 한계를 수 Gbps 내지 수백 Gbps급으로 높일 수 있다. 이와 같이 반송파 주파수를 높일 경우, 전자기파의 특성으로 인해 점대점 통신 개념이 보다 효율적이며, 송/수신 안테나의 방향이 서로 마주보게 하는 LOS(line-of-sight) 통신이 필수적이다. 따라서, 테라헤르츠파 발생 장치에서 방사각을 실시간으로 조절할 수 있는 기술은 테라헤르츠 통신의 발전에 매우 중요한 기술이라고 할 수 있다.
의료 및 산업적 응용을 위한 테라헤르츠(terahertz; 이하, THz) 영상에 있어서, THz파는 암 조직과 정상 조직 간의 차이를 볼 수 있게 해 준다. 또한, THz파는 비금속성의 플라스틱이나 세라믹 시편을 투과하는 능력이 뛰어나, 물체의 내부를 검사하거나, 조기에 암 진단을 하는 등의 응용 분야에 이용되고 있다.
이와 관련하여, THz파가 각종 시료를 투과하는 능력을 높이는 것이 매우 중요하다. 특히, 생체 조직에서는 THz파의 흡수가 심하며, 또한 산란에 의한 해상도 저하가 발생할 수 있다. 이를 극복하기 위해서는 THz파의 파면을 공간적으로 제어하여 그 투과 깊이 및 해상도를 높일 수 있는 방안 등이 마련되어야 한다.
이러한 파면 제어 기술은 RF 안테나 기술에서 빔 포밍(beam forming) 기술로 구체적으로 구현되어 왔다.
하지만, 현재로서는 THz 및 가시광 영역과 같은 보다 고주파 영역에 있어서는 RF 영역에서와 같은 위상 조절 기술이 존재하지 않는다.
이에, 본 발명에서는 공간 광 변조기(spatial-light modulator)의 기능을 가지는 2차원 어레이 개념의 대면적 THz파 발생 장치를 제안한다. 이러한 본 발명의 대면적 THz파 발생 장치는, 대면적 THz 광전도 안테나(terahertz photo-conductive antenna; 이하, THz-PCA) 혹은 대면적 THz 포토믹서(terahertz photomixer; 이하, THz-PM)와 같은 THz파 발생 소자를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 대면적 THz-PCA 및/또는 대면적 THz-PM과 함께 랜덤한 위상 지연판을 이용한 위상 분포 조절을 통해 THz파의 방사각 및 방사 방향을 전기적으로 제어할 수 있는 신개념의 THz파 발생 장치를 제안한다.
즉, 본 발명은 펄스형 THz-PCA 및/또는 연속파형 THz-PM에서 발생된 펄스, 혹은 연속파 형태의 THz파의 방사각과 방사 방향을 전기적 수단으로 조절할 수 있는 신개념의 THz파 발생 및 파면 제어 장치를 제안한다.
특히, 본 발명의 실시예에 의한 THz파 발생 장치는 어레이(array) 타입으로 실시된다. 예컨대, 본 발명의 실시예에 의한 THz파 발생 장치는 나노전극 집적형 대면적 어레이 타입의 THz-PCA(혹은 THz-PM)을 포함하여 구성될 수 있다. 이러한 본 발명의 THz파 발생 장치의 구체적인 구조에 대해서는 후술하기로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 및 그 밖에 당업자가 본 발명의 내용을 쉽게 이해하기 위하여 필요한 사항에 대하여 상세히 설명하기로 한다. 다만, 하기에 설명하는 실시예는 그 표현 여부에 관계없이 예시적인 것에 불과하다. 즉, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있을 것이다.
도 1은 테라헤르츠파 발생 소자(device for generating terahertz wave)의 일례로서, 테라헤르츠 광전도 안테나(THz-PCA)의 구조 및 동작 원리를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, THz 발생용 PCA는 매우 짧은 지속 시간(예컨대, 1 picosecond 미만의 지속 시간)을 갖는 과도 전류를 생성하고, 이를 통해 THz 펄스(107)를 발생시킨다.
보다 구체적으로, 과도 전류의 발생을 위해 광전도 특성을 갖는 반도체 혹은 기타 물질로 이루어진 기판(101) 상에 양극(102) 및 음극(103)을 형성하되, 양극(102)과 음극(103)의 사이에 간격을 두도록(즉, 양극(102)과 음극(103)의 사이에 갭(gap) 영역(104)이 형성되도록) 금속 전극(양극(102) 및 음극(103))을 형성한다. 이러한 양극(102)과 음극(103) 사이에 소정의 전압(105)을 인가하여, 갭 영역(104)에 전기장이 형성되도록 한다.
이러한 갭 영역(104)에 매우 짧은 지속 시간을 갖는 광 펄스(106)를 입사시키면, 기판(101)의 광전도 특성에 의해 순간적으로 양극(102)과 음극(103) 사이에 과도 전류가 흐르게 된다. 이 과도 전류는 전자기 법칙에 따라 전류의 시간 미분에 비례하는 전기장 크기를 갖는 THz 펄스(107)를 방출한다.
방출 효율을 향상시키기 위하여 양극(102)및 음극(103)의 형태는 평면형 안테나 구조로 제작될 수 있다.
또한, 역시 방출 효율의 향상을 위하여 초반구형(hyper-hemispherical) 구조를 갖는 렌즈(108)가 이용될 수 있다. 렌즈(108)는 THz파의 지향성을 위하여 THz 펄스(107)가 방사되는 방향에 배치될 수 있다.
이러한 THz-PCA를 이용하여 테라헤르츠 시영역 분광 시스템(terahertz time-domain spectroscopy; 이하 THz-TDS)을 구성할 수 있다.
예컨대, 송신단 측에 발생용 THz-PCA를 배치하고, 수신단 측에 검출용 THz-PCA를 배치함으로써, THz 분광 측정에 이용될 수 있는 THz-TDS를 구성할 수 있다.
도 2는 테라헤르츠파 발생 소자의 다른 일례로서, 테라헤르츠 포토믹서의 구조 및 동작 원리를 나타내는 도면이다. 보다 구체적으로, 도 2에서는 연속파 THz 신호의 발생을 위한 THz-PM의 구조 및 동작 원리를 도시하였다.
도 2를 참조하면, THz 발생용 PM은 THz 주파수의 매우 빠른 속도로 크기가 변조되는 과도 전류를 생성하고, 이를 통해 THz 연속파(307)를 발생시킨다.
보다 구체적으로, 과도 전류의 발생을 위해 광전도 특성을 갖는 반도체 혹은 기타 물질로 이루어진 기판(301) 상에 양극(302) 및 음극(303)을 형성하고, 양극(302)과 음극(303) 사이에 핑거 구조 등을 포함하는 갭 영역(304)을 두도록 금속 전극(양극(302) 및 음극(303))을 형성한다. 양극(302)과 음극(303) 사이에는 전압(305)을 인가하여, 갭 영역(304)에 전기장이 형성되도록 한다.
이러한 갭 영역(304)에 THz 주파수로 진동하는 비팅 광원(306)을 입사시키면, 기판(301)의 광전도 특성에 의해 양극(302)과 음극(303) 사이에 연속적으로 진동하는 전류가 생성되고, 이 전류는 전자기 법칙에 따라 THz 연속파(307)를 방출한다.
THz 주파수로 진동하는 광원을 얻기 위해서는, 서로 다른 두 파장을 갖는 레이저를 공간적으로 중첩시켜 시영역에서 진동하는 비팅 광원(306)을 생성하는 방법이 이용될 수 있다.
예컨대, 제1 파장(주파수)(ω1)을 갖는 제1 반도체 레이저와 제2 파장(주파수)(ω2)을 갖는 제2 반도체 레이저를 광학계를 통해 결합하여, 제1 및 제2 주파수의 차(ω1-ω2)에 해당하는 주파수로 진동하는 비팅 광원(306)을 생성할 수 있다.
방출 효율을 향상시키기 위하여 양극(302) 및 음극(303)의 형태는 평면형 안테나 구조로 제작될 수 있다. 또한, 역시 방출 효율의 향상을 위해 초반구형 구조를 갖는 렌즈(308)가 이용될 수 있다.
이러한 THz-PM을 이용하여 주파수 영역 테라헤르츠 분광 시스템(THz frequency-domain spectrometer, THz-FDS)을 구성할 수 있다.
예컨대, 송신단 측에 발생용 THz-PM을 배치하고, 수신단 측에 검출용 THz-PM을 배치함으로써, THz-TDS와 마찬가지로 THz 분광 및 영상 측정에 이용될 수 THz-FDS를 구성할 수 있다.
특히, 분광에 있어서, 제1 및/또는 제2 반도체 레이저의 주파수를 조절하여 비팅 광원(306)의 주파수를 제어함으로써, THz 연속파(307)의 주파수를 제어할 수 있다.
도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같은 THz파 발생 소자, 혹은 이를 이용한 THz 시스템은, 펄스 레이저 혹은 반도체 레이저를 이용한 광 펄스(106) 또는 비팅 광원(306)을 THz 광원으로서 이용하며, 광원의 특성은 기본적으로 점광원이다.
광 방사 특성의 개선을 위해 안테나, 혹은 렌즈 등을 집적하더라도, 방사되는 THz 빔의 방사각 및 방향 등을 임의로 조정하는 것은 용이하지 않다. 기계적인 방법을 동원하여 방사각을 조절하는 것은 제한적으로나마 가능하지만, 조절 속도가 느리고, 기계적 시스템의 높은 가격이나 정밀성 등의 문제로 인해 실제 적용에는 한계가 있다.
이를 극복하기 위하여, 본 발명에서는 독립적인 전압 인가가 가능한 어레이 형태로 제작된 THz-PCA 혹은 THz-PM과 수 종류의 랜덤한 크기의 입자로 구성된 THz 산란판(THz scattering plate, THz-SP)을 이용하여 THz파의 파면을 임의로 제어할 수 있는 THz파 발생 및 파면 제어 장치를 제안한다.
이를 통해, 본 발명에서는 방사되는 THz파의 전파 특성, 특정 매질의 투과 특성, 방사각 및 방사 방향을 종합적으로 제어할 수 있는 신개념의 파면 제어가 가능한(wavefront-controllable) 어레이 타입의 THz파 발생 및 파면 제어 장치와, 이를 이용한 THz 파면 제어 방법을 제공할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 적용될 수 있는 파면 제어의 개념을 나타내는 도면이다. 이러한 도 3을 참조하여, 파면 제어의 개념 및 이를 이용한 실시예적 응용 예를 설명하기로 한다.
도 3을 참조하면, 어레이 광원(501)은 위상 조절이 가능한 전자기파를 발생시킨다.
도 3의 (A)는 모든 광원(501)에서 동일 위상으로 전자기파를 방사하는 경우를 도시하였다. 이 경우, 각각의 광원(501)에서 발생한 전자기파는 하나의 파면(502)을 형성하면서, 광원(501)이 배열된 면에 대하여 수직 방향으로 전파되는 전자기파를 발생시킨다.
도 3의 (B)에 도시된 바와 같이 위치에 따라 광원(501)에서 발생시키는 위상이 선형적으로 변화되도록 하면, 각각의 광원(501)에서 발생한 파면(502)은 광원(501)이 배열된 면에서 일정한 각도를 갖도록 형성된다. 이에 따라, 전자기파의 진행 방향이 기울어지게 된다. 이와 같은 방식으로 전자기파의 진행 방향을 변화시킬 수 있다.
도 3의 (C)에서는 위상의 공간적 분포를 비선형적으로, 일례로 포물선 형태로 제어하여, 별도의 렌즈 없이 발생된 전자기파가 특정 점에 집속되도록 한 예를 도시하였다.
도 3의 (D)에서는 위상을 임의적으로 조절함에 의해, 산란을 일으키는 구조(산란체, 503)를 투과한 후에 위상이 평면이 될 수 있도록 제어함으로써, 평면파를 복구하는 과정을 도시하였다.
도 3에 도시된 바와 같은 위상 제어의 개념은, THz-PCA 및/또는 THz-PM을 배열화함으로써 실시될 수 있다. 다만, 어레이를 구성하는 각각의 소자의 위상을 360도 연속적으로 제어할 수 있는 기술은 현재 존재하지 않는다.
실시예적으로, 소자에 인가되는 바이어스의 방향을 반대로 변경함으로써 위상을 180도 조절할 수는 있으며, 바이어스를 인가하지 않음으로써 특정 소자를 동작시키지 않는 정도의 선택이 가능할 수 있다.
또는, 실시예적으로, 어레이를 구성하는 전 소자에 동일 바이어스를 인가한 상태에서, 각각의 소자에 입사되는 광의 분포를 공간 광 변조기 등의 기계적 방법을 동원해 변화시키는 것이 가능할 수 있다.
이와 같이 제한된 상황에서의 파면 제어에 대해서는, 도 4를 참조하여 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 테라헤르츠 파면 제어 장치의 개념을 나타내는 도면이다. 특히, 도 4에서는 개별 스위칭이 가능한 THz 발생 소자 어레이(601)와 여러 종류의 입자들을 무작위로 배합하여 제작된 THz 산란판(THz-SP, 602)을 이용한 실시예를 적용하여 파면 제어의 개념을 도시하였다.
도 4를 참조하면, 산란판(602)은 서로 다른 광학 상수(굴절계수)와 크기 분포를 갖는 여러 종류의 입자를 무작위로 배합하여 제작된다. 이러한 무작위적 특성으로 인해 어레이(601)를 이루는 각각의 소자에서 발생된 THz파는 산란판(602)을 지난 후의 위상 특성이 무작위적인 분포를 갖게 된다. 만일, 제어하고자 하는 파면에 일치하는 위상 특성을 나타내는 소자들을 실험적인 방법으로 찾아서 선택적으로 바이어스를 인가하거나, 광으로 여기할 수 있다면, 어레이(601)를 구성하는 소자들의 온/오프를 제어하는 것만으로 도 3에서 설명한 파면 제어를 달성할 수 있게 된다.
실시예적으로, 도 4의 (A)에서는 파면 제어를 통한 방사방향의 제어 예를 도시하였고, 도 4의 (B)에서는 파면 제어를 통한 THz파의 집속 예를 도시하였다. 또한, 도 4의 (C)에서는 파면 제어를 통한 산란체(603) 투과의 예를 도시하였다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 THz파 발생 장치에 구비되는 어레이 타입의 THz파 발생 소자를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 어레이 타입의 THz파 발생 소자(700)는, 각 단위 THz-PCA(혹은 단위 THz-PM)별로 개별 바이어스 전압 인가가 가능한 어레이 타입의 THz-PCA(혹은 THz-PM)로 실시될 수 있다.
보다 구체적으로, 본 실시예에서는 광전도성 기판(701) 상에 제1 전극들(702) 및 제2 전극(704)을 도 5에 도시된 바와 같이 배열함으로써, 어레이를 이루는 THz파 발생용 단위 소자들(706), 예컨대, 단위 THz-PCA들(혹은 단위 THz-PM들) 각각의 바이어스를 개별적으로 제어할 수 있도록 구성하였다.
이를 위해, 일례로 제1 전극들(702)은 기판(701) 상에 2차원 어레이 형태로 다수 배열되어, 각기 다른 제1 전극패드(703)에 개별적으로 연결될 수 있다. 예컨대, 본 실시예에서는 제1 전극들(702)의 수에 상응하는 복수의 제1 전극패드들(703)이 구비될 수 있고, 이러한 제1 전극패드들(703)은 광전도성 기판(701)의 외곽부에 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 전극들(702) 각각에 독립적으로 전압을 인가할 수 있게 된다.
특히, 본 발명의 실시예에서는 제1 전극들(702)을 적어도 2×2의 2차원 매트릭스 타입으로 배열함으로써, 파면 제어가 용이해지도록 구성하였다. 즉, 제1 전극들(702)은 서로 다른 적어도 두 방향, 예컨대 제1 방향(예컨대, X 방향) 및 제2 방향(예컨대, Y 방향)을 따라 각각 복수 개씩 상호 이격되도록 배열될 수 있다.
실시예에 따라, 서로 전기적으로 연결되는 제1 전극(702)과 제1 전극패드(703)는 일체로 구현될 수 있다. 이 경우, 각각의 제1 전극(702)과 이에 연결되는 제1 전극패드(703)는 하나의 구성요소로서 간주될 수도 있다.
이러한 제1 전극들(702)은 바이어스 전극 또는 양극일 수 있으며, 제1 전극들(702) 각각에는 양의 바이어스 전압, 음의 바이어스 전압, 또는 그라운드 전압이 선택적으로 인가될 수 있다. 또한, 실시예에 따라서는 제1 전극들(702)에 인가되는 바이어스 전압이 보다 세분화될 수도 있다.
제2 전극(704)은 기판(701) 상에 제1 전극들(702)과 대향되도록 형성된다.
일례로, 본 실시예에서는 하나의 제2 전극패드(705)에 연결되는 하나의 일체형 제2 전극(704)이 구비될 수 있다. 실시예에 따라 제2 전극(704)과 이에 전기적으로 연결되는 제2 전극패드(705)는 일체로 구현될 수 있다.
이와 같이 하나의 제2 전극(704)이 구비되는 경우, 제2 전극(704)은 각각의 단위 소자(706) 영역에서 제1 전극들(702) 각각과 대향되도록 행 및/또는 열 단위로 분기될 수 있다. 다만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 실시예에 따라서는 서로 분리된 복수 개의 제2 전극(704)이 구비되도록 변경될 수도 있을 것이다.
제2 전극(704)은 접지 전극 또는 음극일 수 있으며, 이러한 제2 전극(704)에는 그라운드 전압이 인가될 수 있다.
제1 전극들(702) 각각과 이에 대향되는 제2 전극(704)에 의해 정의되는 단위 영역 각각에는, THz파 발생용 단위 소자들(예컨대, 단위 THz-PCA들)(706)이 형성된다. 각각의 단위 소자들(706)은 각각의 제1 전극(702)과 이에 대향되는 제2 전극(704)을 포함하며, 상기 제1 전극(702)과 제2 전극(704)의 사이, 혹은 이들에 의해 정의되는 영역에 배치된다.
본 실시예에서, 제1 전극들(702)이 2차원 어레이 형태로 배열되므로, THz파 발생용 단위 소자들(706) 역시 2차원 어레이 형태로 배열되게 된다.
예컨대, 단위 소자들(706)은 제1 및 제2 방향(예컨대, X 방향 및 Y 방향)을 따라 각각 복수 개씩 배열되어 적어도 2×2의 2차원 매트릭스 어레이 형태로 배열될 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 제1 전극들(702)을 2차원 어레이 형태로 배열함에 의해, THz파 발생용 단위 소자들(706)이 광전도성 기판(701) 상에 2차원 어레이 형태로 배열되도록 구성하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 제2 전극(704)을 다수로 분할하여 2차원 어레이 형태로 배열하거나, 제1 및 제2 전극들(702, 704) 모두를 2차원 어레이 형태로 배열하는 등에 의해 THz파 발생용 단위 소자들(706)이 광전도성 기판(701) 상에 2차원 어레이 형태로 배열되도록 구성할 수 있다.
즉, 실시예에 따라, 기판(701) 상에 다수의 나노전극형 제1 및/또는 제2 전극들(702, 704)을 어레이 형태로 배열함으로써, 대면적 어레이 형태로 배열되는 다수의 THz파 발생용 단위 소자들(706)을 구성할 수 있다.
이러한 본 발명의 실시예에 의하면, 나노전극 집적형 대면적 어레이 타입의 THz파 발생 소자(700), 예컨대 나노전극 집적형 대면적 어레이 타입의 THz-PCA를 구성할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 실시예에서는, 일례로 제1 전극들(702)에 인가되는 바이어스의 방향을 역전시킴으로써 과도 전류의 방향을 역전시킬 수 있다. 이에 따라, 결과적으로 방출되는 THz파의 위상을 180도 바뀌게 할 수 있다. 이를 통해, 디지털 어레이 개념으로 THz파의 위상 분포를 제어할 수 있다.
한편, 도 5에 도시된 THz파 발생용 단위 소자들(706)에는, 소자의 효율을 증대시키거나 위상을 지연시키는 등의 목적을 가진 기능적 구조가 집적될 수 있다. 이에 대한 구체적인 실시예는 도 6을 참조하여 설명하기로 한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 THz파 발생 소자의 단위 소자에 집적 가능한 다양한 구조의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 6의 제1 전극들(801)은 도 5의 제1 전극들(702)에 대응될 수 있고, 도 6의 제2 전극(802)은 도 5의 제2 전극(704)에 대응될 수 있다.
보다 구체적으로, 도 6의 (A) 및 (B)는 THz파의 발생 효율을 높이기 위한 두 가지 전극 구조의 예를 도시한 것이다. 도 6의 (A) 및 (B)에 도시된 실시예에 의하면, 제1 전극들(801) 및/또는 제2 전극(802)은, 대향 전극을 향하는 방향으로 돌출된 하나 이상의 돌출부(803)를 구비한다.
예컨대, 도 6의 (A) 및 (B)에 도시된 두 가지 전극 구조에서는 각각의 제1 전극(801)과 제2 전극(접지선, 802)에 뾰족한 첨점을 갖는 나노미터 수준의 복수의 돌출부들(전극 배열, 803)이 형성될 수 있다.
이에 의해, 제1 및 제2 전극(801, 802)의 뾰족한 단부를 통해 바이어스 전극이 국부적으로 강화되어, THz파의 발생 효율을 높일 수 있다.
또한, 도 6의 (B)는, 나노전극의 옆면(즉, 제1 및 제2 전극(801, 802)에 형성된 돌출부들(803)의 옆면)을 통해 바이어스 전극이 국부적으로 강화되도록 함으로써, 입력광 증가에 따른 포화 현상을 완화시키는 실시예적 구조를 도시하였다.
예컨대, 각각의 돌출부들(803)은, 각각의 제1 전극(801) 및 제2 전극(802) 사이의 적어도 일 영역(804)에서 대향 전극에 형성된 하나 이상의 돌출부(803)와 나란히 이격되어 배열될 수 있다. 이 경우, 서로 마주하는 제1 전극(801) 및 제2 전극(802) 각각에는, 제1 길이 및 제2 길이를 갖는 돌출부들(803)이 교호적으로 형성될 수 있다.
도 6의 (C) 및 (D)는 발생된 THz파의 위상 지연을 일으키기 위한 구조의 집적 예를 도시한 것으로서, 제1 전극(801)과 제2 전극(802)의 사이에 도시된 바와 같은 스플리트 링 공진기(spilt-ring resonator; 이하, SPR) 구조(805)를 집적한 것이다.
예컨대, 제1 전극들(801) 각각과 제2 전극(802)의 사이에는 하나 이상의 사각 개방형 SPR이 형성될 수 있다. 이와 같이 SPR 구조(805)를 집적하게 되면, 발생된 THz파의 위상을 지연시킬 수 있다.
실시예에 따라, 하나의 단위 소자(도 5의 706) 내에, 다양한 크기와 종류의 위상 지연 구조를 공간적으로 분포시켜 파면을 제어하는 기술에 응용할 수 있다. 이러한 위상 지연 구조와 관련하여, 평면형 공진기 또는 메타물질 등은 물론, 새로운 형태의 위상 지연 구조의 집적이 가능할 것이다.
또한, 도 6의 (A) 및 (B)에 도시된 전극 구조 중 적어도 하나와, 도 6의 (C) 및 (D)에 도시된 위상 지연 구조 중 적어도 하나를 결합하는 구조 역시 실시 가능할 것이다.
도 7은 무작위적 입자 혼합으로 제작된 산란형 THz 위상지연판의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 7을 참조하면, 여러 종류의 광학 상수를 갖는 다양한 크기의 입자를 혼합하여 하나의 판 형태로 가공함으로써, 산란형 THz 위상지연판(901)을 제조할 수 있다.
각 입자를 구성하는 물질은 THz 대역에서 서로 다른 크기의 광학 상수를 가지며, 금속 입자, 혹은 인공적인 구조를 포함할 수 있다.
이러한 산란형 THz 위상지연판(901)의 제조에 사용되는 물질은 THz 대역에서 전자기파의 흡수가 적은 물질, 혹은 금속과 같이 플라즈몬 모드를 여기하는 물질이나, 메타물질과 같은 공진 구조를 포함할 수 있다.
산란형 THz 위상지연판(901)을 구성하는 입자는 임의의 접착 물질이나 고밀도 폴리에틸렌, 테플론 등의 고분자 물질 내에 포함될 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 THz파 발생 장치 및 이를 이용한 THz 파면 제어 방법을 나타내는 도면이다. 특히, 도 8에서는 어드레싱이 가능한 대면적 어레이 타입의 THz파 발생 소자 및 이를 이용한 THz파 발생 및 파면 제어 장치와, 이를 이용한 파면 제어 방법을 도시하였다. 편의상, 도 8에서는 THz파 발생 소자가 THz-PCA인 것으로 가정하기로 한다. 다만, 이는 THz-PM과 같은 다른 종류의 THz파 발생 소자로 실시될 수도 있다.
도 8을 참조하면, 어레이 타입의 THz-PCA(1001)의 바이어스 배열을 통해 방사되는 THz파의 파면을 제어할 수 있다.
보다 구체적으로, 도 8의 (A)에 도시된 바와 같이 대면적 어레이 타입의 THz-PCA(1001)의 내부에는 다수의 단위 소자들(단위 THz-PCA들, 1001a)이 2차원 매트릭스 형태로 배열된다. 도 8의 (A)에 도시된 THz-PCA(1001)는 도 5에서 설명한 어레이 타입의 THz파 발생 소자(700)에 대응될 수 있다.
예를 들어, 16개의 단위 소자들(1001a)이 4×4의 매트릭스 형태로 THz-PCA(1001)의 내부에 배열될 수 있다. 한편, 어레이(매트릭스)의 크기나 형태는 다양하게 변경 실시될 수 있음은 물론이다.
각각의 단위 소자들(1001a)은 앞서 도 5에서 설명한 실시예에서와 같이 독립적으로 바이어스 전압을 인가받을 수 있도록 구성된다. 예컨대, 제i행 제j열(i, j는 자연수)에 배치된 단위 소자(1001a)에는 양의 바이어스 전압, 음의 바이어스 전압 또는 그라운드 전압 중 독립적으로 선택된 전압(Vij)이 인가될 수 있다.
도 8의 (B)에 도시된 바와 같이, THz-PCA(1001)의 후면에는 위상의 랜덤화를 위한 산란형 THz 위상제어판(1002)이 배치될 수 있다.
또한, THz-PCA(1001)의 전면(앞면)에는 광 펄스 혹은 연속파를 생성하기 위한 펄스파 혹은 연속파 광원이 배치되고, 펄스파 광원 혹은 연속파 광원으로부터 방출되는 광을 단위 소자들(1001a) 모두에 조사할 수 있다.
일례로, 어레이 형태로 배열된 다수의 THz파 발생용 단위 소자들(1001a) 모두에 동시적으로 광이 조사될 수 있도록 THz-PCA(1001)의 전면에 연속파 비팅광원(1003)을 배치하고, 단위 소자들(1001a) 모두에 광을 입사시킬 수 있다.
이후, 파면 제어를 위해, 단위 소자들(1001a) 각각에 인가되는 바이어스 전압을 개별적으로 조절함으로써, 특정 목적에 맞는 전압 배열을 실험적인 방법으로 도출할 수 있다.
일례로, 단위 소자들(1001a) 각각의 제1 전극에 양의 바이어스 전압, 그라운드 전압 및 음의 바이어스 전압의 3 단계로 구분된 바이어스 전압을 선택적으로 인가하면서, 단위 소자들(1001a) 각각의 온/오프를 개별적으로 조절할 수 있다.
한편, 단위 소자들(1001a) 각각에 인가되는 바이어스 전압은 +V, 0, -V의 3단계로 구분되거나, 이보다 세분화되는 등 다양하게 변경 실시될 수 있을 것이다.
이와 같은 방식으로 단위 소자들(1001a) 각각의 온/오프를 조절해가면서 특정 목적에 부합되는 방사각 및/또는 방사 방향을 얻을 수 있도록 THz파의 방사 파면을 제어할 수 있다. 이에 따라, 원하는 전압 배열을 실험적인 방법으로 도출해낼 수 있다.
예컨대, 본 실시예에 의한 THz 파면 제어 방법은, THz파의 목표 방사각 및/또는 방사 방향을 설정하는 단계와, 어레이 형태로 배열된 다수의 THz파 발생용 단위 소자들(1001a)을 포함하는 THz파 발생 장치(예컨대, 어레이 타입의 THz-PCA(1001)를 포함하는 THz파 발생 장치)를 준비하고 THz파 발생 장치의 전면에 광원(예컨대, 연속파 비팅광원; 1003)을 배치하는 단계와, THz파 발생용 단위 소자들(1001a) 각각의 온/오프를 개별적으로 조절하면서 THz파 발생 장치로부터 방출되는 THz파의 방사각 및/또는 방사 방향이 목표 방사각 및/또는 방사 방향에 부합되도록 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
특히, 본 실시예에서는 THz파 발생용 단위 소자들(1001a) 각각에 인가되는 바이어스 전압을 개별적으로 조절함으로써, 단위 소자들(1001a) 각각의 온/오프를 개별적으로 조절한다.
한편, THz파 발생용 단위 소자들(1001a) 각각의 온/오프를 개별적으로 조절하는 단계에서, 단위 소자들(1001a) 모두에 펄스파 광원 혹은 연속파 비팅광원(1003)으로부터 방출되는 광을 동시에 입사시킬 수 있다.
전술한 바와 같은 도 8의 실시예에 의하면, 각각의 THz파 발생용 단위 소자들(1001a)에 인가되는 바이어스 전압을 개별적으로 조절하는 전기적인 방법으로 THz파의 방사 파면을 용이하게 조절할 수 있다.
한편, 도 8에서는 위상 제어를 위하여 산란형 THz 위상제어판(1002)을 이용한 실시예를 개시하였으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 실시예에 따라서는 산란판, 즉 산란형 THz 위상제어판(1002)이 생략되거나, 혹은 이를 대체할 수 있는 다른 형태의 위상 제어 구조가 적용될 수도 있음은 물론이다. 일례로, 메타물질을 이용하거나, 혹은 물질의 두께 조절 등을 통해 위상을 제어하도록 한 다른 형태의 위상 제어 구조가 적용될 수도 있을 것이다.
즉, 본 실시예에 개시된 산란형 THz 위상제어판(1002)은 단순히 산란판에 한정되어 해석되지 않고, 보다 상위 개념의 위상 제어/지연 구조로 포괄적으로 해석되어야 할 것이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 의한 THz파 발생 장치 및 이를 이용한 THz 파면 제어 방법을 나타내는 도면이다. 특히, 도 9에서는 대면적 어레이 타입의 THz파 발생 소자 및 공간 광 변조기를 이용한 THz파 발생 및 파면 제어 장치와, 이를 이용한 THz 파면 제어 방법을 도시하였다. 한편, 공간 광 변조기로부터 방출되는 광의 형태로써 공간 광 변조기를 모식적으로 도시하기로 한다.
도 9를 참조하면, 본 실시예에서는 어레이 타입의 THz파 발생소자, 예컨대, THz-PCA(1101)의 전면(앞면)에 공간 광 변조기(1103)를 배치하고, 이를 이용하여 THz-PCA(1101)를 구성하는 단위 소자들 각각의 온/오프를 광학적인 방식으로 제어한다. 실시예에 따라, 도 9에 도시된 어레이 타입의 THz-PCA(1101)는 도 5 및 도 8에서 설명한 어레이 타입의 THz파 발생 소자(700, 1001)에 대응될 수 있다. 또한, 본 실시예에서도 THz-PCA(1101)의 후면에는 위상의 랜덤화를 위한 산란형 THz 위상제어판(1102)이 배치될 수 있다.
이와 같은 본 실시예에서는 어레이 타입의 THz-PCA(1101)를 구성하는 단위 소자들 모두에 동일한 바이어스 전압을 인가하되, 공간 광 변조기(1103)를 이용하여 각 단위 소자들의 온/오프를 광학적으로 제어하는 방식으로 THz파의 방사 파면을 제어할 수 있다. 일례로, 단위 소자들 각각의 제1 전극에 동일한 바이어스 전압을 인가하되, 단위 소자들 중 적어도 일부에만 선택적으로 광을 조사하면서, 특정 목적에 부합되는 방사각을 얻을 수 있도록 THz파의 방사 파면을 제어할 수 있다.
예컨대, 본 실시예에 의한 THz 파면 제어 방법은, THz파의 목표 방사각 및/또는 방사 방향을 설정하는 단계와, 어레이 타입의 THz-PCA(1101)를 포함하는 THz파 발생 장치를 준비하고 THz파 발생 장치의 전면에 광원(예컨대, 공간 광 변조기; 1103)을 배치하는 단계와, 어레이 타입의 THz-PCA(1101)를 구성하는 단위 소자들 중 각각의 온/오프를 개별적으로 조절하면서 THz파 발생 장치로부터 방출되는 THz파의 방사각 및/또는 방사 방향이 목표 방사각 및/또는 방사 방향에 부합되도록 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
특히, 본 실시예에서는 어레이 타입의 THz-PCA(1101)를 구성하는 단위 소자들의 전면에 공간 광 변조기(1103)을 배치하고, 이러한 공간 광 변조기(1103)를 이용하여 단위 소자들 중 적어도 일부에 선택적으로 광을 조사함으로써, 단위 소자들 각각의 온/오프를 개별적으로 조절한다.
한편, 단위 소자들 각각의 온/오프를 개별적으로 조절하는 단계에서, 단위 소자들 모두에는 일례로 동일한 바이어스 전압이 인가될 수 있다.
즉, 본 실시예에서는 어레이 타입의 THz-PCA(1101)를 구성하는 THz파 발생용 단위 소자들의 전면에 공간 광 변조기(1103)를 배치하여 단위 소자들에 선택적으로 광을 입사시키는 광학적 스위칭 방식을 이용하여 단위 소자들의 온/오프를 개별적으로 조절한다.
이에 따라, 본 실시예에서도 특정 목적에 부합되는 방사각 및/또는 방사 방향을 얻을 수 있도록 THz파의 방사 파면을 제어할 수 있다. 따라서, 원하는 전압 배열을 실험적인 방법으로 도출해낼 수 있다.
도 10은 발광면에서의 가우시안 형태의 THz파 분포에 의한 원격장에서의 THz파 분포를 나타내는 도면이다. 그리고, 도 11은 발광면에서의 원형 고리 형태의 THz파 분포에 의한 원격장에서의 THz파 분포를 나타내는 도면이다.
이하에서는, 도 10 내지 도 11을 참조하여 방사각을 제어하기 위한 실험적 방법의 실시예를 설명하기로 한다.
우선, 본 발명의 실시예에 의한 THz파 발생 장치를 준비하고, 상기 THz파 발생 장치로부터 소정 거리(예컨대, 파장의 10배 이상의 거리)만큼 이격된 원격장(far-field) 영역에 THz파 검출 소자를 위치시킨다. THz파 검출 소자의 위치는 변경 가능하다.
THz파 발생 장치, 예컨대 본 발명의 실시예에 의한 어레이 타입의 THz파 발생 소자(700, 1001, 1102)를 포함한 THz파 발생장치의 발광면을 XY 평면 상에 위치시켰을 때, 상기 발광면에 수직한 축을 Z축으로 정의할 수 있다.
이러한 THz파 발생 장치로부터 소정 거리 이격된 THz파 검출 소자의 위치는 (X,Y,Z) 좌표로 표시할 수 있다.
하나의 좌표(X1,Y1,Z1)에 대해 검출된 THz파 신호의 크기가 가장 높은 바이어스 전압 행렬(V11, V12, V13, …, V1m; V21, V22, …, V2m, …, Vnm; m, n은 자연수)을 실험적으로 찾을 수 있다.
이와 같은 작업을 여러 개의 좌표(X1,Y1,Z1) 조합에 대해 수행하여, 각각의 행렬을 미리 저장해 둔다. 실제 사용에 있어서 이와 같은 조합의 활용을 통해 THz파의 공간적 스캔이 가능하다.
또 하나의 예로서, 원격장 영역, 혹은 근접장 영역에 THz파의 2차원적 분포를 측정할 수 있는 CCD 카메라를 위치시켜 빔 세기 분포를 측정하는 방법도 가능하다. 측정된 분포를 최적화할 수 있는 바이어스 전압 행렬을 실험적으로 찾을 수 있다. 예를 들어 (X1,Y1) 위치에 강한 신호 세기를 갖는 분포를 찾는 것이 가능하다.
다른 하나의 실시예로, 산란판(예컨대, 산란형 THz 위상제어판(901, 1002)) 없이 각 단위 소자들(706, 1001a)의 발광 분포를 조절함으로써 원격장에서의 THz파 세기 분포를 조절하는 것이 가능하다.
도 10에 도시된 바와 같이, 특별한 바이어스 전압 행렬의 조정 없이 가우시안 형태의 광으로 THz파를 생성할 경우, 원격장에서의 THz파 분포 역시 가우시안 형태를 따라가게 된다.
보다 구체적으로, 도 10의 (A)는 THz파 발생 장치의 각 단위 소자들(706, 1001a)이 동일하게 턴-온된 상태에서 측정되는 발광면에서의 가우시안 THz파 분포를 나타낸 것이다. 도 10의 (A)에서, x,y 값은 THz파 발생용 단위 소자들(706, 1001a)의 위치를 10-3 미터(즉, 밀리미터) 단위로 나타낸 값이며, z 값은 전기장의 세기를 나타내는 값이다. 예컨대, z 값은 볼트/미터(volt/meter)에 비례하는 값일 수 있다.
도 10의 (B)는 가우시안 THz파 발생에 따른 원격장에서의 THz파 분포를 나타낸 것이다. 도 10의 (B)에서, x,y 값은 THz파 발생용 단위 소자들(706, 1001a)의 위치를 미터 단위로 나타낸 값이며, z 값은 전기장의 세기를 나타내는 값이다. 예컨대, z 값은 볼트/미터(volt/meter)에 비례하는 값일 수 있다.
한편, 도 8에서 설명한 실시예에서와 같이 각각의 THz파 발생용 단위 소자들(1001a)에 인가되는 바이어스 전압을 개별적으로 조절하는 방법이나, 도 9에서 설명한 실시예에서와 같이 공간 광 변조기(1103)를 이용하는 방법을 통해 THz파 발생 장치의 발광면에서의 THz파 분포를 조절할 수 있다.
예컨대, 바이어스 전압을 조절하는 전기적인 스위칭 방법이나, 공간 광 변조기(1103)를 이용하는 광학적 스위칭 방법을 이용하여, 도 11의 (A)에 도시된 바와 같이 발광면에서의 THz파 분포를 원형 고리 형태가 되도록 제어할 수 있다.
도 11에 도시된 바에 의하면, 발광면에서의 THz파 분포를 (A)에 도시된 바와 같이 조절함으로써, 원격장에서의 THz파 분포를 (B)에 도시된 바와 같이 가우시안 빔 형태가 아닌 베셀(Bessel) 빔 형태로 제어하는 것이 가능하다. 도 11의 (B)에 도시된 바와 같이 베셀 빔은 THz파 분포의 폭이 가우시안 빔에 비해 좁다. 또한, 가우시안 빔은 전파됨에 따라 THz파 분포의 폭이 커지면서 발산하는데 반해, 베셀 빔은 THz파 빔의 폭이 일정하게 유지되는 특성을 가진다. 따라서, 이미징 등의 응용에 있어서 보다 고해상도의 이미징이 가능하고, 광 정렬이 용이한 특성을 가진다.
도 11에 도시된 실시예는 발광면에서의 THz파 분포를 조절하는 일례를 보여주는 것으로서, 본 발명의 실시예에 의한 THz파 발생 장치를 이용하면 발광면에서의 THz파 분포를 임의의 형태로 용이하게 조절할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 의하면, 목표한 방사각 및 방사 방향 등에 부합되도록 THz파 발생 장치의 방사 특성을 다양하게 조절하는 것이 가능하다.
전술한 바와 같은 본 발명에 의하면, 나노구조를 집적하여 공간 광 변조 기능을 가진 대면적 어레이 타입의 THz파 발생 소자(THz-PCA 혹은 THz-PM, 700, 1001, 1101)와, 공간적으로 랜덤한 위상 지연을 만들어내는 위상지연판(901, 1002, 1102)을 통해 전기적 혹은 광학적 방법으로 THz파의 방사각 및 방사 방향을 조절할 수 있다.
즉, 본 발명은 파면 제어가 가능한 대면적 어레이 타입의 THz파 발생 장치 및 이를 이용한 THz 파면 제어 방법을 제공한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 기존에 THz 주파수 대역에서는 제공되지 못했던 빔 포밍(beam forming)이나 빔 스티어링(beam steering)과 같은 기술을 실현할 수 있다. 이에 따라, 이동통신이나 군수 등과 같은 다양한 분야에서 본 발명을 유용하게 이용할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명에 의하면, THz파가 복잡한 산란체를 투과하게 한다거나, 자체적으로 집속된 THz파 광을 생성하는 기술을 실현할 수 있다. 이에 따라, THz파의 응용 범위가 확장될 수 있다.
본 발명의 기술 사상은 전술한 실시예에 따라 구체적으로 기술되었으나, 상기 실시예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아님을 주의하여야 한다. 또한, 본 발명의 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술 사상의 범위 내에서 다양한 변형예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
700, 1001, 1101: THz파 발생 소자 701: 기판
702, 801: 제1 전극 704, 802: 제2 전극
706, 1001a: 단위 소자 901, 1002, 1102: THz 위상지연판

Claims (18)

  1. 광전도성 기판과,
    상기 광전도성 기판 상에 2차원 어레이 형태로 배열되는 다수의 테라헤르츠파 발생용 단위 소자들을 포함하며,
    상기 테라헤르츠파 발생용 단위 소자들은,
    상기 광전도성 기판 상에 상기 2차원 어레이 형태로 배열되며, 다수의 제1 전극패드들 중 각기 다른 제1 전극패드에 개별적으로 연결되는 다수의 제1 전극들과,
    상기 광전도성 기판 상에 상기 제1 전극들과 대향되도록 형성된 하나 이상의 제2 전극을 포함하고,
    상기 테라헤르츠파 발생용 단위 소자들 각각의 온/오프가 개별적으로 조절 제어되어, 상기 테라헤르츠파 발생용 단위 소자들로부터 방출되는 테라헤르츠파의 방사 방향이 목표 방사 방향에 부합하는, 테라헤르츠파 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극들은 서로 다른 적어도 두 방향을 따라 각각 복수 개씩 상호 이격되도록 배열되는 테라헤르츠파 발생 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극패드들은, 상기 제1 전극들의 수만큼 상기 광전도성 기판의 외곽부에 구비되는 테라헤르츠파 발생 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극은 상기 제1 전극들 각각과 대향되도록 적어도 행 또는 열 단위로 분기된 하나의 일체형 전극으로 구현되는 테라헤르츠파 발생 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극들 각각에는 양의 바이어스 전압, 음의 바이어스 전압, 또는 그라운드 전압이 선택적으로 인가되는 테라헤르츠파 발생 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 전극에는 그라운드 전압이 인가되는 테라헤르츠파 발생 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극들 및 상기 제2 전극 중 적어도 하나는, 대향 전극을 향하는 방향으로 돌출된 하나 이상의 돌출부를 구비하는 테라헤르츠파 발생 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극들 및 상기 제2 전극 각각에는, 대향 전극을 향하는 방향으로 돌출된 복수의 돌출부들이 형성되는 테라헤르츠파 발생 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 돌출부들은, 상기 제1 전극들 및 상기 제2 전극 사이의 적어도 일 영역에서 대향 전극에 형성된 하나 이상의 돌출부와 나란히 이격되어 배열되는 테라헤르츠파 발생 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전극들 각각과 상기 제2 전극의 사이에 형성된 스플리트 링 공진기를 더 포함하는 테라헤르츠파 발생 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 광전도성 기판의 후면에 배치되는 산란형 테라헤르츠 위상제어판을 더 포함하는 테라헤르츠파 발생 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 광전도성 기판의 전면에 배치되는 펄스파 혹은 연속파 광원을 더 포함하는 테라헤르츠파 발생 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 광전도성 기판의 전면에 배치되는 공간 광 변조기를 더 포함하는 테라헤르츠파 발생 장치.
  14. 테라헤르츠파의 목표 방사 방향을 설정하는 단계와,
    어레이 형태로 배열된 다수의 테라헤르츠파 발생용 단위 소자들을 포함하는 테라헤르츠파 발생 장치를 준비하고, 상기 테라헤르츠파 발생 장치의 전면에 광원을 배치하는 단계와,
    상기 테라헤르츠파 발생용 단위 소자들 각각의 온/오프를 개별적으로 조절하면서, 상기 테라헤르츠파 발생 장치로부터 방출되는 테라헤르츠파의 방사 방향이 상기 목표 방사 방향에 부합되도록 제어하는 단계를 포함하는 테라헤르츠 파면 제어 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 테라헤르츠파 발생용 단위 소자들 각각의 온/오프를 개별적으로 조절하는 단계에서, 상기 단위 소자들 각각에 인가되는 바이어스 전압을 개별적으로 조절하는 테라헤르츠 파면 제어 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 테라헤르츠파 발생용 단위 소자들 각각의 온/오프를 개별적으로 조절하는 단계에서, 상기 단위 소자들 모두에 펄스파 광원 혹은 연속파 비팅광원으로부터 방출되는 광을 동시에 입사시키는 테라헤르츠 파면 제어 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 테라헤르츠파 발생용 단위 소자들 각각의 온/오프를 개별적으로 조절하는 단계에서, 상기 단위 소자들의 전면에 공간 광 변조기를 배치하고 상기 단위 소자들 중 적어도 일부에 선택적으로 광을 조사하는 테라헤르츠 파면 제어 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 테라헤르츠파 발생용 단위 소자들 각각의 온/오프를 개별적으로 조절하는 단계에서, 상기 단위 소자들 모두에 동일한 바이어스 전압을 인가하는 테라헤르츠 파면 제어 방법.
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